#Bakteriengene trieben Evolution der Landpflanzen voran

Hunderte Gene heutiger Pflanzen stammen ursprünglich aus Bakterien, Pilzen und Viren. Das zeigt eine neue Studie, die die Genome von 31 Pflanzen auf Spuren von horizontalem Gentransfer untersucht hat, also auf die Übertragung von Genen unabhängig von Artgrenzen und Fortpflanzung. Viele der Gene, die die Pflanzen von anderen Organismen erhalten haben, erfüllen heute wichtige biologische Funktionen. Unter anderem helfen sie Landpflanzen, sich an die Trockenheit anzupassen und Stickstoff auf dem Boden aufzunehmen.

Für Bakterien spielt horizontaler Gentransfer eine große Rolle, wenn es darum geht, sich schnell an neue Gegebenheiten anzupassen. Anders als beim vertikalen Gentransfer, bei dem Gene im Rahmen der Fortpflanzung von Eltern an ihre Nachkommen weitervererbt werden, wird das genetische Material beim horizontalen Gentransfer (HGT) direkt von einem Individuum auf das andere übertragen. Auf diese Weise können sich beispielsweise Antibiotikaresistenzen rasch ausbreiten. In welchem Maße der HGT auch bei höheren, mehrzelligen Organismen wie Pflanzen und Tieren eine Rolle spielt, war bislang umstritten.

Gene aus Mikroben

Ein Team um Jianchao Ma von der Henan Universität in China hat nun das Genom von 31 Pflanzen auf Spuren von horizontalem Gentransfer untersucht. Zu den analysierten Pflanzen zählten Moose, Farne, Gräser, Bäume und Charophyten, eine Gruppe von Grünalgen, die mit modernen Landpflanzen verwandt sind. Das Ergebnis: „Unsere Daten deuten darauf hin, dass HGT in Charophyten und allen größeren Gruppen von Landpflanzen vorkommt“, schreiben die Forscher.

Fast 600 Genfamilien in modernen Pflanzen haben der Analyse zufolge ihren Ursprung in anderen Organismen. „Die meisten der erworbenen Gene stammen von Bakterien. Ein beträchtlicher Teil geht allerdings auch auf Pilze zurück“, erläutern Ma und seine Kollegen. Insbesondere in Grünalgen entdeckten sie zudem mehrere Genfamilien, die offenbar von Viren auf die Vorfahren der untersuchten Pflanzen übertragen wurden. Manche Gensequenzen könnten sogar von Wassertieren auf Grünalgen übergegangen sein. „Ob die Ähnlichkeit der Gensequenzen zwischen Pflanzen und Wassertieren tatsächlich auf einen Genaustausch zwischen den Organismen zurückzuführen ist, muss weiter untersucht werden“, so die Forscher.

Half der Gentransfer beim Landgang?

Anhand der Genomvergleiche identifizierten die Forscher zwei große Episoden von horizontalem Gentransfer während der Evolution der Landpflanzen. 177 Genfamilien gingen während der ersten Episode von Mikroben auf Pflanzen über, 107 während der zweiten Episode. Im Laufe der Evolution verliehen sie den Pflanzen offenbar nützliche Eigenschaften und blieben so über die Jahrmillionen erhalten – nicht nur in primitiven Pflanzen wie Grünalgen und Moosen, sondern auch in Samenpflanzen. „Rund 58 Prozent der Gene aus der ersten Episode und 71 Prozent der Gene aus der zweiten Episode finden sich noch in heutigen Samenpflanzen“, so die Forscher.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass HGT eine bedeutende Rolle in der Evolution der Landpflanzen spielt“, sagt Mas Kollege Jinling Huang. Im Vergleich zu Mutationen aus dem vertikalen Gentransfer ermögliche HGT den Pflanzen, schnell neue Eigenschaften zu erlangen. Einige dieser neuen Eigenschaften könnten den Pflanzen geholfen haben, sich an eine drastisch veränderte Umwelt anzupassen, wie etwa beim Übergang vom Wasser zum Land. „Ich hatte schon vermutet, dass der horizontale Gentransfer den Pflanzen geholfen hat, das Land zu besiedeln, aber wir wussten bis jetzt nicht, wie wichtig er dafür war“, so Huang weiter. „Unsere Studie verändert die herkömmliche Sichtweise der Evolution von Landpflanzen.“

Gene mit nützlichen Eigenschaften

Zu den erworbenen Genen zählen zum Beispiel solche, die den Pflanzen eine gewisse Trockenheitsresistenz verleihen, ihnen helfen, Schädlinge abzuwehren, und daran beteiligt sind, dass sie Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen und in ihre Zellen zu transportieren können. Auch bei der Synthese von Auxin, einem der wichtigsten Wachstumshormone in Pflanzen, spielen Gene, die ursprünglich aus Bakterien stammen, eine wichtige Rolle. In zukünftigen Studien wollen die Forscher die Funktion einiger der erworbenen Gene genauer untersuchen. Denkbar wäre, Gene, die für wünschenswerte Eigenschaften verantwortlich sind, künftig gezielt auf Nutzpflanzen zu übertragen.

Quelle: Jianchao Ma (Henan University, China) et al., Molecular Plant, doi: 10.1016/j.molp.2022.02.001

© wissenschaft.de – Elena Bernard